Инновации, интернет вещей (IoT) и нанотехнологии. Часть 1.

Еще недавно многим казалась странной концепция Интернета вещей (IoT – Internet of Things), а сегодня лучшие представители цивилизации заговорили уже об Интернете нановещей (IoNT – Internet of NanoThings). В самом деле, если можно превратить в сетевой элемент любую «вещь» от холодильника до человека, то почему бы не двинуться вглубь холодильника или даже человека? А что там, к примеру, с продуктами? – Ничего не протухло? Как и их более «крупные» товарищи, нановещи объединяются в наносети, среди которых выделяются не только электромагнитные, но и молекулярные. Есть такая примета – чем больше ягод на рябине, тем суровее зима. Пару лет назад в нашем саду на рябине совсем не было ягод, а, к примеру, обычный лук практически совсем был без кожуры (еще одна народная примета). И зимы практически не было. Казалось бы, такой простой вопрос – откуда рябина и лук это знают?

Если поразмышлять над ним, то окажется, что вопрос-то не такой простой. Не исключено, что раскрыть рябиново-луковую загадку можно, проникнув внутрь этих растений на наноуровне. И это, возможно, совсем скоро станет реальностью.

Уже давно в мире идет разговор об IoT, и логично, что появился IoNT, когда отдельные «вещи» стали включать в себя собой недорогие микросенсоры, микропроцессоры вкупе, миниатюрные антенны и элементы питания. Возникновение и развитие IoNT тесно связано с прогрессом нанотехнологий, которые теперь часто встроены в различные промышленные вертикали, включая оборонную, аэрокосмическую, здравоохранение, биомедицинскую, промышленное производство и далее вплоть до развлечений и розничной торговли. Заставить выполненные по этим технологиям устройства обмениваться информацией – заветная мечта многих специалистов, желающих, как минимум, знать о протекании различных технологических процессов в любой отрасли или обо всех изменениях в организме человека. Развитие наномашин с коммуникационными возможностями и их объединение с микро- и макроустройствами рождает на наших глазах новую парадигму Интернета, которая сможет повлиять практически на все сферы жизни от здравоохранения до национальной безопасности. И тогда даже Большой Брат, очевидно, получит в помощь как минимум Маленького Братика.

Собственно, нанотехнологии – новая отрасль, занимающаяся разработкой чрезвычайно малых устройств, способных производить несложные действия. Будучи простыми и производя только примитивные операции, наномашины по отдельности не способны работать со сложными задачами. Во всяком случае, пока. Для обеспечения работы с более сложными приложениями, такими как доставка лекарственных средств к нужному органу в теле человека, требуется возможность обмена информацией и командами между сетевыми объектами и контроллером, что приводит к необходимости создания концепции наносетей. В той же концепции необходимо обязательно предусмотреть связь между IoNT и IoT, и создание подобных интерфейсов, необходимых, к примеру, при переходе из тела человека в привычную нам сеть связи, будет представлять собой отдельную интересную задачу.

В целом IoNT представляет собой множество связанных беспроводной связью наноустройств, которые имеют выход на сети связи и, прежде всего, в Интернет. Иначе, множество наномасштабных сетей связи в обозримом будущем может быть подключено к Интернету, расширив мир IoT до IoNT. Собственно, IoNT – это дальнейшее локальное развитие IoT там, где это необходимо или там, где это возможно. Причем как внутри живых и неживых объектов, так и вовне.

Нетрудно предположить, что подобные технологические возможности неизбежно будут возрастать. Не исключено, что когда-нибудь это локальное развитие станет глобальным, и, к примеру, какая-нибудь интеллектуальная нанопыль полетит через моря и океаны по странам и континентам, а нанодатчики будут присутствовать практически в каждом твердом, жидком и сыпучем продукте, чтобы вовремя сообщить, не нарушена ли рецептура, климатика, вязкость и пр. свойства, не исключая и информацию о том, чем в данный момент занимается какой-нибудь Агент 007, на лацкане пиджака которого находится высокотехнологичная пылинка. А, к примеру, с виду обычные духи благодаря интеллектуальным нанодобавкам будут сами вовремя сигнализировать о соответствии заданному запаху, а лекарства – об их реальном воздействии на организм.

Исследования перспективных технологий для телекоммуникации уже обращались, к примеру, к использованию веществ-феромонов, с помощью которых представители флоры и фауны давно научилась обмениваться информацией. Как бы это могло выглядеть в какой-нибудь мобильной связи 8G, еще более чутко улавливающей все нюансы персональных данных клиентской базы? – Ну, к примеру, так: центр мониторинга клиентской удовлетворенности сервисом отметил резкое изменение исходящего от находящегося в конкретной точке абонента запаха, и встроенный искусственный интеллект, расценив это как испуг, вызвал в эту точку экстренные службы. Кто знает, не будут ли со временем созданы наноустройства в виде нанопыли, имитирующей феромоны?

В опубликованном несколько лет назад корпорацией EMC исследовании «Цифровая вселенная» сказано, что объем цифровой вселенной удваивается каждые 2 года. И если согласно прогнозам IoT — это миллиарды повседневных предметов и устройств, которые имеют уникальные идентификаторы и могут автоматически регистрировать, собирать и получать данные, то IoNT – это уже, как минимум, триллионы наноустройств.

Ожидается, что изменения в структуре спроса и инновационные приложения создадут серьезный рост спроса на рынке нановещей в течение ближайших нескольких лет. Особенно следует ожидать этого там, где удастся создать захватывающие возможности для бизнеса на этом рынке. Как ожидается, рынок IoNT вырастет до 10 млрд. долл. США к 2020 г. при ориентировочных совокупных темпах годового роста (CAGR) – 22,81%. По мнению экспертов, развитие рынка IoNT обусловлено тремя основными драйверами: продолжение повсеместного сетевого подключения, стимулированием со стороны правительства и известными преимуществами подключенных устройств. Тем не менее, обеспечение конфиденциальности и безопасности, а также требуемый размер инвестиций в нанотехнологии, как ожидается, будут наиболее сильными сдерживающими факторами для развития мирового рынка IoNT. Однако, несмотря на эти ограничения, уже растет спрос со стороны различных промышленных вертикалей в интересах расширения возможностей для глобального рынка.

Одними из самых крупных игроков на рынке IoNT являются сейчас компании Intel Corporation, Cisco Systems Inc., Qualcomm Incorporated, Juniper Networks и IBM Corporation в США, Schneider Electric во Франции, SAP S.E. и Siemens AG в Германии и др.

Прошлое IoNT

Как нетрудно догадаться, прошлого у Интернета нановещей в современном понимании никогда и не было. Как говорится, не было Интернета, не было нановещей – не было и проблемы. Впрочем, давайте вернемся к этому попозже, а пока займемся текущими вызовами прогрессивному человечеству.

Настоящее IoNT

Современному человеку худо-бедно понятно, для чего можно использовать IoNT и какие выгоды это могло бы принести. Но пока все находится в стадии зарождения, выработки концепции и выбора технологий. Благо, у некоторых продвинутых компаний на то есть футурологи и прочие маркетинговые мечтатели. Однако специалистам более интересно, как все это будет устроено и как оно будет работать. И пока человечество не изобрело ничего другого, там наверняка должно быть все, «как у взрослых», то есть привычные компоненты в исполнении «нано»: камеры, телефоны, скалярные датчики, процессоры, карты памяти, источники питания, антенны и приемопередатчики. Сегодня многие разработчики напряженно трудятся над этой нано-мозаикой, чтобы она заработала по образу и подобию макромира, а уж потом она будет как-то меняться с течением времени. Все зависит от развития новых технологий и их проникновения в нашу жизнь, а также от заинтересованности в них конечных пользователей. В зависимости от количества вещей и их вида могут применяться различные технологии для сбора, обработки и обмена информацией в рамках бесшовной передачи данных между устройствами.

Нанообъекты должны взаимодействовать в любом месте, в любое время, да и сами они вполне могут быть гетерогенными, работая как с IoT, так и с IoNT. Как и в истории с Интернетом вещей, каждый элемент IoNT в цепочке создания стоимости должен пройти через, быть может, революционные изменения и оптимизацию своего функционала. Факторы, стимулирующие рынок IoNT, учитывая сопутствующие трудности, зачастую сходятся к государственной поддержке, однако намечающееся увеличение связности оказывается полезным и для лидеров рынка и отрасли.

Развитие нанотехнологий идет параллельно с появлением новых разработок в Интернете и сенсорных сетях. В последние годы появилось направление нанокоммуникаций, целью которого является создание новых парадигм взаимодействия наноустройств для совершенствования их возможностей и способов применения. Однако наноустройства могут общаться не только в одноранговом режиме. Встраивание наносенсоров в различные объекты и устройства, окружающие пользователей, может привести к добавлению нового измерения в концепцию IoT с помощью добавления IoNT. Такие миниатюрные сенсоры, связываемые наносетью, могут поставлять мелкоструктурные данные изнутри объектов или труднодоступных областей. Например, нательные наносенсоры могут обеспечить сбор и передачу электрокардиографических и других жизненно важных сигналов. Микросенсоры, установленные в окружающей среде, могут собирать информацию о патогенах и аллергенах, присутствующих в конкретном физическом месте. Если объединить эти два источника данных на основе IoNT, то можно будет получить точный диагноз и отслеживать состояние пациента.

Тем не менее, в лице нанотехнологий инженерное сообщество получило новый набор инструментов для разработки наноразмерных компонентов с беспрецедентными функциональными возможностями. Ну а интеграция нескольких нанокомпонентов в единый организм с помощью наносетей будет способствовать развитию все новых и новых наномашин, что позволит создать множество приложений в биомедицинских, экологических, промышленных и военной сферах. Однако на сегодняшний день пока не до конца ясно, не только как наномашины будут общаться друг с другом, но и как они будут обмениваться информацией с более крупными «вещами». В ответ на данный вызов в последние годы в области нанотехнологий появилось новое направление – наносвязь или коммуникации между наноустройствами: наносхемами, нанороботами, нанодронами, наномашинами и др. Размер нанороботов, кстати, составляет от 0,1 до 10 мкм.

Собственно, многие устройства становятся всё более миниатюрными и скоро физические объекты, подключенные к Интернету, будет непросто заметить невооруженным глазом; компьютеры размером с крупинку соли будут включать в себя солнечную батарею, тонкопленочный элемент питания, оперативную память, датчик давления, беспроводное радиоустройство и антенну; видеокамеры размером с зерно уже сегодня работают с высочайшим разрешением; датчики размером с пылинку (0,05×0,005 мм) могут измерять температуру и давление, распознавать движение и передавать полученные данные.

В общем, когда-нибудь с появлением реальных успехов IoNT жить станет лучше, жить станет веселее.

Как это сделать?

Следует отметить, что исследования в данном направлении настолько важны, что даже вошли в перечень приоритетных работ известного американского агентства передовых оборонных исследовательских проектов DARPA. Ну а реализовать все заявленное выше можно разными способами.

Взаимосвязь между наносетями и Интернетом требует появления новых технологических решений для создания интерфейсов между нано- и макросетями, развития новых способов связи, методов обработки и хранения огромного количества данных, циркулирующих в наносетях, новых моделей обслуживания данных от наноисточников информации. Сам процесс передачи информации на наноуровне может основываться на различных физических принципах: молекулярном, то есть происходящем в биологической окружающей среде, фотонном, акустическом и, разумеется, электромагнитном. Последний включает в себя различные типы коммуникации: фемтосот, ZigBee, ультраширокополосные сигналы, Li-Fi, и пр. Сама связь может осуществляться как между устройствами, расположенными на одном кристалле, так и между такими кристаллами, а также для выхода на микроуровень.

Вот, к примеру, мигающие огни, которые обычно нас раздражают, оказывается могут приносить пользу. Связь при помощи видимого света (Visible Light Communication – VLC) или Li-Fi, как его еще называют, использует световые импульсы для беспроводной передачи информации. Базирующаяся на светодиодах Li-Fi достигла удивительно высоких скоростей передачи информации в лабораторных условиях и уже может соревноваться с обычным Wi-Fi. Кстати, еще в 2005 году с помощью методов генной инженерии были созданы нейроны, реагирующие на свет определенного цвета, соответствующая технология получила название оптогенетика. Световые лучи различных цветов позволяют включать и выключать конкретные нейроны чтобы, например, лечить хроническую боль или успокаивать пациента. Важным фактором такой световой терапии является время, поскольку один и тот же сигнал, посланный на несколько миллисекунд раньше или позже, может иметь для мозга пациента противоположное значение.

Однако для связистов более привычными и понятными являются принципы электромагнитной связи гораздо ниже по диапазону. Они определяется как передача и прием электромагнитного излучения от различных компонентов на основе новых наноматериалов. Одним из реализуемых сегодня воплощений наносвязи является парадигма разработки беспроводных сетей на чипе (Wireless Network on Chip, WiNoC), в том числе для передачи данных между наносхемами, расположенными на общей подложке. Разумеется, это еще не IoNT, но что-то весьма близкое по технологии, которая также имеет свою небольшую историю. В свое время работа над методологией проектирования мультиядерных чипов привела к идее создания сети-на-чипе (Network on Chip, NoC) и стала важным направлением развития систем на кристалле (System on chip, SoC). И уже в последнее время взоры специалистов обратились к WiNoC, которая применима для нанотехнологий и для создания IoNT.

В частности, в настоящее время актуальна проблема обеспечения электрического контакта наноэлектронного устройства или схемы и какого-либо макро-элемента без существенных потерь в достижимой на наноуровне плотности тока. Выяснилось, что обычно используемый метод литографического изготовления контактных площадок неэффективен для широкомасштабной параллельной обработки сигналов, требующей объединения множества наносистем на одном кристалле. Вот эту проблему и решают с помощью беспроводной связи, когда используя эффекты емкостной связи между миниатюрными контактными площадками или индуктивной связи между спиральными катушками индуктивности.

Одна из самых распространенных реализаций WiNoC предусматривает наличие в одном кристалле и беспроводных, и традиционных проводных линий передачи сигналов. При этом вся система на кристалле условно делится на подсети из групп ядер, внутри которых коммуникация осуществляется проводными линиями.

Каждая такая подсеть оборудована миниатюрной базовой станцией (БС), обеспечивающей передачу и получение пакетов данных по радиоканалам от других подсетей. Все ядра в подсети связаны с их БС через проводные линии связи. Передача пакета данных между ядрами разных подсетей осуществляется сначала локально до соответствующей БС, затем по эфиру – до БС подгруппы, в которой находится адресат и далее – по проводной линии к пункту назначения. Объединение БС в радиосеть может выполняться по топологии звезды, петли, mesh-сети и т.п., т.е. так же, как это обычно делается на макроуровне. В более сложных решениях участки проводной передачи сигналов могут вовсе отсутствовать, хотя описанная выше гибридная реализация более проста технологически.

Последние достижения в области молекулярной физики и, в частности, новых свойств углерода, применимых в интересах электроники, открыли дверь к новому поколению электронных нано-компонентов вроде наноаккумуляторов, нано-памяти, логической схемотехники на наноуровне и нано-антен. Кстати, миниатюризация классической антенны (да и не только антенны) в соответствии с требованиями к размерам наномашин предполагает использование очень высоких радиочастот, что, вроде бы, может поставить под угрозу реализуемость таких сетей.

В настоящее время исследования в нанотелекоммуникациях сфокусированы на увеличении пропускной способности канала связи при использовании сверхширокополосных сигналов, занимающих весь терагерцовый диапазон частот (терагерц = 1012 Гц). Соединения между наномашинами со скоростями в несколько терабит в секунду вполне возможны, но только на расстояния намного меньше 1 метра. Правда, во многих перспективных приложениях наносетей порой большего и не нужно. Более важно найти способ увеличить радиус действия отдельного узла связи. Пропускная способность канала в терагерцовом диапазоне уже исследуется на предмет определения его потенциала. С точки зрения обеспечения коммуникации, уникальные свойства, наблюдаемые в новых наноматериалах, будут задавать требования к конкретным полосам радиочастот, задержек и величины излучаемой мощности. Все эти задачи подразумевают фундаментальные изменения в текущем состоянии дел в области аналитических моделей каналов, сетевых архитектур и протоколов связи, являясь серьезным источником для открытия новых научных исследований.

Уникальной особенностью терагерцового диапазона частот является молекулярная абсорбция электромагнитного излучения – это эффект, возникающий при передаче сигнала на частотах, близких и равных резонансным частотам молекул, которые поглощают часть энергии сигнала и создают шум на этих же частотах за счет внутренней кинетической энергии молекул. Способность поглощать молекулой энергию определяется физическими свойствами: молекулярными связями, пространственной ориентацией и пр. Среди всех составляющих атмосферы Земли, наибольший вклад вносит абсорбция молекулами водяного пара. Еще одной немаловажной проблемой является достаточно сильное затухание сверхвысокочастотного сигнала при распространении его в свободном пространстве во все стороны. Однако существует способ избежать серьезных искажений сигнала, используя так называемые окна прозрачности, где потери в связи с абсорбцией на малых и средних дистанциях пренебрежительно малы.

Сегодня разрабатываются новые механизмы связи для электромагнитных нано-сетей, включающие в себя модуляцию на основе передачи фемтосекундных импульсов. Кстати, наноантенны позволяют использовать в беспроводных сетях на чипе не только радиочастотный, но и оптический диапазон. Будущие радиочастотные электронные нано-модули могут использовать следующие проводящие наноматериалы: серебряные наночастицы, графитовые нанотрубки или графеновое покрытие.

В частности, на основе графена могут быть реализованы плазменные наноантенны. Не так давно исследователи из Технологического института Джорджии продемонстрировали с помощью компьютерного моделирования принципиальную возможность создания наноантенн из графена, с помощью которых сотни и тысячи механизмов или устройств нано- и микроуровня могут объединиться в единую сеть с помощью беспроводной связи. Во-первых, почему графен? Потому что в отличие от традиционных металлов, вроде меди или серебра, графен может работать в качестве антенны с гораздо меньшим количеством подводимой энергии. Этот эффект достигается за счет использования поверхностных электронных волн, возникающих на поверхности графена при определенных условиях, когда электроны создают колебания электрического поля, которые, в свою очередь, становятся источником электромагнитной волны, распространяющейся исключительно по поверхности графена. Данное явление известно как поверхностная плазмонно-поляритонная волна (surface plasmon polariton, SPP), которая позволит графеновым наноантеннам работать в нижней области терагерцового диапазона 0,1…10 ТГц. Кстати, аналогичный эффект в металлах (например, золоте) происходит на гораздо более высоких частотах. Благодаря новой графеновой наноантенне можно понизить на два порядка частоту работы радиопередающих устройств и сократить количество требующейся для ее работы энергии на четыре порядка. Теоретически терагерцовый диапазон, в котором эффективно работают графеновые наноантенны, может обеспечить передачу данных в беспроводных сетях со скоростью, на два порядка превышающей скорости существующих беспроводных технологий.

В свою очередь, пьезоэлектрические свойства нанопроводников из окиси цинка уже использованы для создания наногенераторов, способных вырабатывать электроэнергию и производить электромагнитные волны в широком диапазоне частот, включая и тот, где графеновые наноантенны показывают максимальную эффективность. В комбинации с графеновыми наноантеннами подобные наногенераторы являются законченным передающим беспроводным устройством, которое требует совсем небольшого количества энергии, получаемой от энергии движения нано- или микромеханизма. Помимо этого создаются приборы – скажем, сенсоры, – которые питаются благодаря метаболическим процессам, протекающим в клетках.

Кстати, пока исследователи мечтают об организации связи между наномашинами, использование графеновых наноантенн в сетях макромасштаба выглядит намного более привлекательно. Не так давно представители компании Ericsson Research представили прототип миниатюрного полупроводникового приемопередатчика, который может передавать данные со скоростями до 40 Гбит/с на частотах 141,5–148 ГГц, что примерно в 40 раз быстрее того, что способны обеспечить технологии LTE.

Существенным технологическим прорывом, позволившим перейти от теории беспроводных сетей на кристалле к их практической реализации, стало несколько лет назад появление комплексных наноантенн в виде графеновых нанотрубок, которые для обеспечения частотного мультиплексирования сигналов имеют разную длину и, следовательно, резонансную частоту. Подобное решение позволяет обеспечить выход сетей на чипе на внешний макроуровень. Причем на аналогичных принципах можно организовать и электропитание наноустройств. В этом случае наноантенны могут использоваться в качестве выпрямляющих антенн (ректенн), в которых роль выпрямителей выполняют нанотрубки с внедренным дефектом атомной сетки. Такие наноструктуры позволяют создавать активные устройства, обладающие в дополнение к частотно-селективным и пространственно-избирательным свойствам возможностью прямого усиления принимаемых из эфира сигналов. Последующее детектирование сигнала позволяет получить энергию, достаточную для питания наноустройства.

Пропускная способность наносети зависит не только от способа ее физической реализации, но и от методов обработки сигналов, которые позволяют увеличить количество каналов информационного обмена при сохранении ширины полосы их пропускания. В частности, по аналогии с макро-сетями для этих целей предлагается технология мульти-MIMO (Multipoint Input – Multipoint Output). С этой целью в центре кристалла формируется антенный кластер центральной базовой станции – топологически структурированный набор малоразмерных нанотрубок. Все остальные наносхемы (расположенные на том же кристалле) оснащаются антенными решетками МIМО, составленными, например, из дипольных наноантенн (их может быть 8 или больше). При этом допускается использовать наноантенны одинаковой длины, поскольку при использовании методов пространственно-временного кодирования MIMO-сигналы не обязательно разделять по частоте. Рабочий диапазон устройства может быть миллиметровым или субмиллиметровым. Алгоритмическое решение задачи декодирования информации в такой мульти-MIMO-системе упрощается благодаря неизменности координат антенн и стабильности условий распространения сигналов под корпусом микросхемы.

Поиск новых конструктивных решений для реализации многопользовательских систем MIMO в составе WiNoC привел к идее использования т.н. пирамидальных базовых наностанций. На вертикальных стенках такой нано-пирамиды, напоминающей ступенчатые пирамиды древних цивилизаций Центральной Америки, можно разместить наноантенны, а на горизонтальных поверхностях уступов – единичные вибраторы. Одна общая наноантенна может устанавливаться на несколько слоев наноустройства, каждый из которых решает свою задачу. Дифференциация структур нанорешеток по уровням пирамиды дает возможность эффективно использовать кластерную технологию формирования многопользовательских систем MIMO (мульти-MIMO) в составе WiNoC.

Для увеличения дальности связи WiNoC с внешними потребителями целесообразно использовать параллельную передачу данных с помощью кластеризации распределенных на кристалле наносистем MІMO. В зависимости от дальности связи размер кластера может адаптивно изменяться путем объединения нескольких наносхем в один излучатель. Похожее решение по «принципу матрешки» возможно и для реализации одновременной многочастотной связи, при этом верхний уровень наносхем объединен в один кластер, следующий под ним уровень – в другой и т.д. Таким способом формируются множественные кластеры, вложенные друг в друга и различающиеся рабочим диапазоном частот и количеством объединенных наносхем. Кластеры, образующие MIMO-систему, могут иметь различную топологию, что позволяет минимизировать краевые эффекты, снизить уровни боковых лепестков диаграмм направленности и уменьшить взаимное влияние излучателей. Для каждого диапазона частот можно создавать свою конфигурацию кластеров и их оптимальную топологию. В итоге обеспечивается связь в разных диапазонах частот и в нескольких стандартах одновременно, что позволяет решить многие, различные по функциональному назначению задачи. К примеру, можно совмещать функции типа «передача данных плюс прием сигналов GPS» или «связь с макроуровнем плюс беспроводное питание чипа с помощью ректенн». Такой подход позволяет использовать сравнительно низкочастотное излучение внутри кристалла и улучшить энергетику распространения радиоволн при передаче данных между удаленными периферийными участками чипа.

Как нетрудно видеть, мысль разработчиков в электромагнитной части наносетей продвинулась уже довольно далеко. Однако не стоит забывать, что наносети могут формироваться и на основе молекулярных взаимодействий или, к примеру, на основе взаимодействия бактерий, над чем также работают группы специалистов. Там будут свои модели канала, сетевые архитектуры, а также принципы и протоколы связи. И еще неизвестно, какие технологии окажутся более эффективными в будущем. В любом случае надо иметь в виду, что человечество находится на очень ранней стадии исследований в области IoNT и перед исследователями лежит еще много трудностей.

Автор: Александр Голышко, к.т.н.
Источник: https://habr.com/

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!